自主導(dǎo)航的農(nóng)用輪式移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與路徑跟蹤控制.pdf

1、當(dāng)前，各國(guó)正在積極地把電子技術(shù)、信息技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與研究中，使得農(nóng)業(yè)機(jī)械具備更精確的作業(yè)能力，以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減輕農(nóng)業(yè)化學(xué)品引起的環(huán)境污染、減少農(nóng)業(yè)投入成本。同時(shí)，以糧食為主的農(nóng)產(chǎn)品需求量的不斷加大，要求種植面積和產(chǎn)量逐年提高，而農(nóng)村勞動(dòng)力成本也在不斷提高，特別是我國(guó)農(nóng)村剩余勞動(dòng)力逐漸減少，因此，需要通過提高作業(yè)的效率和自動(dòng)化程度來解決這一矛盾.在上述背景下，以國(guó)家“863計(jì)劃”立項(xiàng)項(xiàng)目--移動(dòng)式水果采摘機(jī)器人

2、關(guān)鍵技術(shù)的研究為依托，致力于開發(fā)一種適合農(nóng)業(yè)環(huán)境下的低成本自主導(dǎo)航輪式移動(dòng)平臺(tái)，主要進(jìn)行了移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對(duì)路徑跟蹤控制等進(jìn)行了系統(tǒng)地研究.以下是完成的主要研究工作： 1.將機(jī)械、電子信息技術(shù)結(jié)合在一起完成移動(dòng)平臺(tái)的搭建.農(nóng)業(yè)環(huán)境移動(dòng)平臺(tái)的搭建關(guān)鍵在于機(jī)械子系統(tǒng)與導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：移動(dòng)平臺(tái)能完成沿作物行行走實(shí)驗(yàn)的需要，保證控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，以降低后續(xù)控制系

3、統(tǒng)的開發(fā)難度，提高導(dǎo)航和控制變量輸入的精度。機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：輪系及輪子類型的確定、驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向方式的確定、轉(zhuǎn)向電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型的選定.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、同時(shí)與之配套的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性和較強(qiáng)的爬坡和越障能力。移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)航方式主要是通過GPS/視覺融合進(jìn)行導(dǎo)航定位，采用四輪同時(shí)轉(zhuǎn)向，多電機(jī)參與控制。各子系統(tǒng)之間的通訊主要由CAN總線來完成，農(nóng)田導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)表明，該平臺(tái)能初步完成沿作物行行走的自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn).

4、 2.根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了路徑跟蹤滑模變結(jié)構(gòu)控制器。在移動(dòng)平臺(tái)沿作物行行走的路徑跟蹤控制器的設(shè)計(jì)方面，考慮到移動(dòng)平臺(tái)的速度不是太快，建立了移動(dòng)平臺(tái)行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)模型做一定的簡(jiǎn)化后設(shè)計(jì)路徑跟蹤滑模變結(jié)構(gòu)控制器.控制器的設(shè)計(jì)主要針對(duì)模型簡(jiǎn)化過程中所帶來的模型不精確，模型中的參數(shù)攝動(dòng)等一系列問題。特別是在農(nóng)用輪式移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)航控制中由于控制信號(hào)從控制器輸出到輪胎實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的過程中，有一個(gè)時(shí)間延遲，該延遲的長(zhǎng)短由轉(zhuǎn)向角度的大小和

5、移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)而定。通常，為了建立模型方便是將其簡(jiǎn)化為一個(gè)時(shí)間常數(shù)，但在轉(zhuǎn)向角速度較小和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時(shí)該參數(shù)會(huì)有較大的變化.當(dāng)平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)處于所設(shè)計(jì)的滑動(dòng)模態(tài)時(shí)性能受該參數(shù)的影響較小，因而提高了路徑跟蹤控制的魯棒性。 3.綜合移動(dòng)平臺(tái)路徑跟蹤的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了智能控制器。智能控制器的使用，降低移動(dòng)平臺(tái)在導(dǎo)航過程中對(duì)模型的依賴，傳統(tǒng)的智能控制多依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的控制規(guī)則不一定適應(yīng)系統(tǒng)要求。因此，在研究中采用遺傳算法對(duì)模糊控制的控

6、制規(guī)則進(jìn)行了修正。為使移動(dòng)平臺(tái)能連續(xù)完成導(dǎo)航控制等復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，在不同的階段采用了不同的控制決策(速度波動(dòng)不大時(shí)采用滑?？刂?，其他則借鑒人的經(jīng)驗(yàn)采用智能控制)，設(shè)計(jì)間接型專家控制器完成各種控制決策之間的協(xié)調(diào)。實(shí)驗(yàn)表明各種決策之間的切換平穩(wěn)，平臺(tái)能作業(yè)要求. 4.將灰色預(yù)測(cè)理論運(yùn)用到視覺導(dǎo)航中錯(cuò)誤信號(hào)的診斷，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)平臺(tái)的位姿.與一般自主導(dǎo)航的移動(dòng)平臺(tái)相比較，農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)工作在野外，路面情況復(fù)雜，存在著大量的干擾因素，比如：

7、強(qiáng)光反射、陰影、雜物等。機(jī)器視覺導(dǎo)航所需的數(shù)字圖像質(zhì)量存在不同程度的下降，甚至有時(shí)不能及時(shí)準(zhǔn)確得到導(dǎo)航控制所需要的位姿信息，當(dāng)導(dǎo)航過程在某些時(shí)刻不能準(zhǔn)確獲得位姿信號(hào)時(shí)，采用灰色GM(1，1)模型對(duì)當(dāng)前的位姿進(jìn)行估計(jì)，將估計(jì)值與視覺傳感器的信號(hào)相比較，一方面可以監(jiān)測(cè)視覺傳感器受到干擾后的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以將估計(jì)值提供給導(dǎo)航控制器.與一般的故障診斷相比較，灰色動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)所要求的信息量小，且不需要系統(tǒng)的模型支持，可以很好地解決移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)航過程